科學(xué)技術(shù)史第十六章經(jīng)典物理學(xué)大廈的完成(課堂講義)

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1、科 學(xué) 技 術(shù) 史 （第十六章：經(jīng)典物理學(xué)大?廈的完成） 課 堂 講 義 X X X 第十六章 經(jīng)典物理學(xué)大?廈的完成 大家好，現(xiàn)在到我和千?冬艷為大家講?解科學(xué)技術(shù)史?，第十六章經(jīng)典?物理學(xué)大廈的?完成。 課前導(dǎo)入 ?大家知道高中?物理課本雙縫?干涉實驗的鼻?祖是誰嗎？ 答曰：托馬斯·楊。 ?知道是誰最早?試圖測量光速?的嗎？答曰：伽利略。 ?熱力學(xué)經(jīng)典兩?大定律又是怎?么來的呢？ ?靜電到動電究?竟經(jīng)過了怎樣?的推進？ ?生活中每天打?交道的力、熱、電、磁、光這些物理現(xiàn)?象早在19世?紀(jì)就得出了相?應(yīng)的規(guī)律和理?論闡

2、釋，想知道這些規(guī)?律究竟是怎么?得出的嗎？那么大家就跟?著我和千冬艷?一起來學(xué)習(xí)吧?！ 首先由我來帶?領(lǐng)大家一起學(xué)?習(xí)：第一節(jié)經(jīng)典光?學(xué)的建立及第?二節(jié)里的能量?轉(zhuǎn)化與守恒定?律的確立。余下內(nèi)容：熱力學(xué)第二定?律的建立以及?經(jīng)典電磁理論?的建立將由千?冬艷為大家講?解。 首先來看第一?節(jié)：經(jīng)典光學(xué)的建?立 17世紀(jì)→18世紀(jì)→19世紀(jì)下半?葉 經(jīng)典光學(xué)建立?先后經(jīng)過了：幾何光學(xué)的確?立→細(xì)微流質(zhì)觀點?的提出→實現(xiàn)了電、磁、光的統(tǒng)一，這一系列發(fā)展?使人們對光的?認(rèn)識也達到了?一個新的水平?。 一、波動說的復(fù)興? 十九世紀(jì)最初?幾年，托馬斯·楊在光的波動?說方面做出了?一系列實

3、驗和?理論研究。 ? 提出光與聲都?是波，研究聲波疊加?現(xiàn)象 ? 明確光波的頻?率和波長，在《自然哲學(xué)和機?械工藝講義》中描述多種光?的干涉 ? 提出“干涉”概念雙縫干涉?實驗，明確揭示了光?的波動性質(zhì) ? 首次實現(xiàn)了可?見光波長的測?量 人物介紹 托馬斯·楊，英國醫(yī)生、物理學(xué)家。 他博學(xué)多才，著述涉及醫(yī)學(xué)?、物理學(xué)、天體力學(xué)和機?械學(xué)等廣泛領(lǐng)?域。 他具有杰出的?語言才能，通曉多種外語?，是埃及象形文?字最早的翻譯?者之一。 他會演奏多種?樂器。 楊的研究從生?理光學(xué)現(xiàn)象開?始，楊研究過眼睛?的構(gòu)造及其光?學(xué)性質(zhì)，他第一個發(fā)現(xiàn)?眼球在注視距?離不同

4、的物體?時改變形狀，他最早研究了?人眼色覺問題?。 托馬斯·楊：（百度百科評價?）這是一個將科?學(xué)和藝術(shù)并列?研究、對生活充滿熱?望的天才，幾乎可以這樣?說：他生命中的每?一天都沒有虛?度！ （天才兒童）1773年6?月13日，托馬斯·楊出生于英國?一個富裕的家?庭，正如趙老師以?前說過的：研究學(xué)者、科學(xué)家往往都?是家庭條件好?的，能夠提供這個?條件給他去研?究。但是他也十分?有稟賦！自幼年起就大?張旗鼓地顯露?開來，是個不折不扣?的神童。 2歲時學(xué)會閱?讀，對書籍表現(xiàn)出?強烈的興趣；4歲能將英國?詩人的佳作和?拉丁文詩歌背?得滾瓜爛熟；不到6歲已經(jīng)?把圣經(jīng)從頭到?尾看過兩遍

5、，還學(xué)會用拉丁?文造句；9歲掌握車工?工藝，能自己動手制?作一些物理儀?器，隨后學(xué)會微積?分和制作顯微?鏡與望遠鏡；14歲之前，他已經(jīng)掌握1?0多門語言，不僅能夠熟練?閱讀，還能用這些語?言做讀書筆記?；之后，他又把學(xué)習(xí)擴?大到了東方語?言——希伯來語、波斯語、阿拉伯語；他不僅閱讀了?大量的古典書?籍，在中學(xué)時期，就已經(jīng)讀完了?牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)?學(xué)原理》、拉瓦錫的《化學(xué)綱要》以及其他一些?科學(xué)著作，才智超群。在托馬斯·楊26歲時，著名的羅塞塔石碑被發(fā)現(xiàn)，石碑上刻有三?種文字：古埃及象形文?、古埃及通俗文?字和希臘文，楊是把碑文的?譯文發(fā)表成書?的第一人。 值得一提的是?，盡管父母

6、送他?進過不少名校?，但楊還是把自?學(xué)當(dāng)作最主要?的學(xué)習(xí)手段。 　　楊熱愛物理學(xué)?，在行醫(yī)之余，他也花了許多?時間研究物理?。 牛頓曾在其《光學(xué)》的論著中提出?光是由微粒組?成的，在之后的近百?年時間，人們對光學(xué)的?認(rèn)識幾乎停滯?不前，直到托馬斯·楊的誕生，他成為開啟光?學(xué)真理的一把?鑰匙，為后來的研究?者指明了方向?。 楊愛好樂器，幾乎能演奏當(dāng)?時的所有樂器?，這種才能與他?對聲振動的深?入研究是分不?開的。同時也思考：光會不會也和?聲音一樣，是一種波？楊做了著名的?楊氏干涉實驗?，為光的波動說?奠定了基礎(chǔ)。 然而，這個理論在當(dāng)?時并沒有受到?應(yīng)有的重視，還被權(quán)威們譏?為“荒唐”

7、和“不合邏輯”，這個自牛頓以?來在物理光學(xué)?上最重要的研?究成果，就這樣被缺乏?科學(xué)討論氣氛?的守舊的輿論?壓制了近20?年。 楊并沒有向權(quán)?威低頭，而是為此撰寫?了一篇論文，不過論文無處?發(fā)表，只好印成小冊?子，據(jù)說發(fā)行后“只印出了一本?”。楊在論文中勇?敢地反擊：“盡管我仰慕牛?頓的大名，但是我并不因?此而認(rèn)為他是?萬無一失的。我遺憾地看到?，他也會弄錯，而他的權(quán)威有?時甚至可能阻?礙科學(xué)的進步??！? 除了科學(xué)，他還沉浸于藝?術(shù)，過著多姿多彩?的生活：音樂、美術(shù)甚至雜技?一直滋養(yǎng)著他?的生命。他精力旺盛的?一生于182?9年結(jié)束，終年56歲。人們在他的墓?碑上刻上這樣?的文字——“他最

8、先破譯了?數(shù)千年來無人?能解讀的古埃?及象形文字”。 主要貢獻 ·楊氏雙縫實驗?，為光的波動說?奠定了基礎(chǔ)。 ·楊氏模量：楊對彈性力學(xué)?也很有研究，后人為了紀(jì)念?他，把縱向彈性模?量稱為楊氏模量。 ·視覺上：他第一個發(fā)現(xiàn)?眼球在注視距?離不同的物體?時改變形狀。 ·顏色上：他第一個測量?了7種光的波?長，最先建立了三原色原理。 ·醫(yī)學(xué)造詣也很?深。 ·語言上：精通10多種?語言。 ·埃及象形字：他最先破譯了?數(shù)千年來無人?能解讀的古埃?及象形文字。 ? 馬呂思（工程師、物理學(xué)家），發(fā)現(xiàn)反射光的?偏振現(xiàn)象和平?面偏振光通過?晶體后的光強?變化。 [?阿拉果（物理學(xué)家），

9、發(fā)現(xiàn)色偏振現(xiàn)?象。 ?菲涅耳（物理學(xué)家），完善惠更斯子?波概念，提出惠更斯—菲涅爾原理。設(shè)計了雙光干?涉實驗，使用半波帶法?計算計算出圓?孔、直邊等形狀的?衍射。成功證明光是?沿直線傳播。解釋了雙折射?現(xiàn)象。 ?菲涅耳與阿拉?果合作進行了?驗證光是橫波?觀點的實驗。] []里內(nèi)容大家了?解一下，我想給大家介?紹一個人，他給了我很大?的啟發(fā)。 阿拉果，他是一個有理?想有目標(biāo)的奮?斗青年，當(dāng)年他立志要?當(dāng)拿破侖軍隊?炮兵軍官，決心上綜合工?科學(xué)校，他在15歲時?就只身去巴黎?自學(xué)（托馬斯楊也喜?歡自學(xué)）。兩年半內(nèi)他掌?握了考試所需?的一切知識（人取得成功不?僅需要有天賦?，更是需要有理

10、?想，有目標(biāo)，如此便有了奮?斗的方向，便可以少走很?多彎路）。1806年，阿拉果以第一?的成績從綜合?工科學(xué)校畢業(yè)?。阿拉果是一個?十分優(yōu)秀的人?。 二、光速測定 ?伽利略最早試?圖測量光速，但沒解決這個?問題。 ?法國物理學(xué)家?菲索首先在地?面測得光速值?，315300?Km/s ?邁克爾遜測得?光速3001?40Km/s，非常精確，作為國際標(biāo)準(zhǔn)?沿用40年之?久。 “提出一個問題?往往比解決一?個問題更重要?” ——愛因斯坦對伽?利略的評價 伽利略意大利?物理學(xué)家、天文學(xué)家和哲?學(xué)家，近代實驗科學(xué)?的先驅(qū)者，被譽為“近代科學(xué)之父?” “現(xiàn)代觀測天文?學(xué)之父” 、“現(xiàn)代物理

11、學(xué)之父”、“科學(xué)之父” 及“現(xiàn)代科學(xué)之父?”。當(dāng)時，人們爭相傳頌?：“哥倫布發(fā)現(xiàn)了?新大陸，伽利略發(fā)現(xiàn)了?新宇宙（新宇宙：望遠鏡的發(fā)明?揭開了一個又?一個的宇宙秘?密）”。今天，史蒂芬·霍金說，“自然科學(xué)的誕?生要歸功于伽?利略，他這方面的功?勞大概無人能?及?！? 伽利略的優(yōu)良?品質(zhì) ·善于提問，不問個水落石?出不罷休。 ·愛學(xué)習(xí)，敢于追求自己?喜歡的東西（雖然在父親的?要求下學(xué)了醫(yī)?學(xué)，他不喜歡醫(yī)學(xué)?，最終選擇學(xué)習(xí)?數(shù)學(xué)、物理學(xué)等自然?科學(xué)）。 ·有主見,敢于挑戰(zhàn)權(quán)威?。 ·熱愛思考。 人物故事 由于是父親要?求他學(xué)的醫(yī)，他的興趣并不?在醫(yī)學(xué)，他孜孜不倦地?學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物

12、理學(xué)等自然科學(xué)，在大學(xué)里，他很少上課，一上課就對教?授們教課的內(nèi)?容提出這樣那?樣的疑問，使教授們難于?回答。 他特別熱愛讀?書，但他并不是那?種迷信書本的?人，那些人們認(rèn)為?是真理的權(quán)威?結(jié)論，在伽利略的腦?子里常常帶來?意想不到的疑?問，他以懷疑的眼光看待那些自古?以來被人們奉?為經(jīng)典的學(xué)說?。 有一次，伽利略信步來?到他熟悉的比薩大教堂，他坐在一張長?凳上，目光凝視著那?雕刻精美的祭壇和拱形的廊柱?，驀地，教堂大廳中央?的巨燈晃動起?來，是修理房屋的?工人在那里安?裝吊燈。 這本來是件很?平常的事，吊燈像鐘擺一?樣晃動，在空中劃出看?不見的圓弧。可是，伽利略卻像觸?了電一樣，目不

13、轉(zhuǎn)睛地跟?蹤著擺動的吊?燈，同時，他用右手按著?左腕的脈，計算著吊燈擺?動一次脈搏跳?動的次數(shù)，以此計算吊燈?擺動的時間。 這樣計算的結(jié)?果，伽利略發(fā)現(xiàn)了?一個秘密，這就是吊燈擺?一次的時間，不管圓弧大小?，總是一樣的。一開始，吊燈擺得很厲?害，漸漸地，它慢了下來，可是，每擺動一次，脈搏跳動的次?數(shù)是一樣的。 伽利略的腦子?里翻騰開了，他想，書本上明明寫?著這樣的結(jié)論?，擺經(jīng)過一個短?弧要比經(jīng)過長?弧快些，這是古希臘哲?學(xué)家亞里士多德的說法，誰也沒有懷疑?過。難道是自己的?眼睛出了毛病?，還是怎么回事?。 伽利略像發(fā)了?狂似的跑回大?學(xué)宿舍，關(guān)起門來重復(fù)?做這個試驗。最后，伽利略不得

14、不?大膽地得出這?樣的結(jié)論：亞里士多德的?結(jié)論是錯誤的?，決定擺動周期?的，是繩子的長度?，和它末端的物?體重量沒有關(guān)?系。而且，相同長度的擺?繩，振動的周期是?一樣的。這就是伽利略?發(fā)現(xiàn)的擺的運?動規(guī)律。 自己實驗得出?結(jié)論伽利略不?用說多么高興?了?？墒窃诋?dāng)時，有誰會相信一?個醫(yī)科大學(xué)生?的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，何況他的結(jié)論?是否定了大名?鼎鼎的亞里士?多德的權(quán)威說?法。恩格斯稱他是?“不管有何障礙?，都能不顧一切?而打破舊說，創(chuàng)立新說的巨?人之一” 由于不好好學(xué)?醫(yī)，家里經(jīng)濟不景?氣，父親要求伽利?略回家做店員?，沒有起碼的學(xué)?習(xí)條件，也沒有老師可?以求教，他就想方設(shè)法?找到一些自然?科學(xué)的書籍

15、，以頑強的毅力刻苦自學(xué)。（托馬斯楊也喜?歡自學(xué)） 隨后，便有了舉世聞?名的落體實驗?，大家發(fā)現(xiàn)沒？伽利略特別喜?歡動手實驗！ 1642年1?月8日，凌晨4時，為科學(xué)、為真理奮斗一?生的戰(zhàn)士，科學(xué)巨人——伽利略離開了?人世，享年78歲。在他離開人世?的前夕，他還重復(fù)著這?樣一句話：“追求科學(xué)需要?特殊的勇氣。” 人物名言 ·“追求科學(xué)，需要有特殊的?勇敢，思考是人類最?大的快樂?！? ·“生命猶如鐵砧?，愈被敲打，愈能發(fā)出火花??！? ·“你無法教別人?任何東西，你只能幫助別?人發(fā)現(xiàn)一些東?西?！? ·“科學(xué)不是一個?人的事業(yè)” “真理不在蒙滿?灰塵的權(quán)威著?作中，而是在宇宙、

16、自然界這部偉?大的無字書中?。” ·“世界是一本以?數(shù)學(xué)語言寫成?的書?！? ·“一切推理都必?須從觀察與實?驗中得來?！? ·“與其夸大胡說?，不如宣布那個?聰明的、智巧的、謙遜的警句?！? 三、光譜研究 光譜學(xué)的歷史?： [牛頓色散實驗? → 梅耳維爾發(fā)現(xiàn)?了納譜線在內(nèi)?的一些譜線 → 赫歇爾用譜線?檢驗金屬的存?在 → 赫歇爾和李特?發(fā)現(xiàn)紅外線和?紫外線 → 沃拉斯頓觀察?到太陽光譜的?不連續(xù)性→ 夫瑯和費發(fā)明?了衍射光柵 → 基爾霍夫和本?生發(fā)明了棱鏡?光譜儀，建立了光譜分?析方法→ 埃格斯特朗發(fā)?表了《標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜?圖表》 → 巴耳末找到了?一個簡單的氫?光譜經(jīng)驗公式? →

17、 里德堡用波數(shù)?表示巴耳末公?式 → 里茲提出組合?原理，把每條譜線表?示成兩個譜線?的波數(shù)差。] []里內(nèi)容大家了?解一下。 第二節(jié)、熱力學(xué)的建立? 從18世紀(jì)→19世紀(jì)這一?個世紀(jì)里，由建立系統(tǒng)的?計溫學(xué)和量熱?學(xué)→蒸汽機的廣泛?使用→發(fā)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化?與守恒定律，這一發(fā)展揭示?了物質(zhì)世界的?普遍聯(lián)系，熱力學(xué)第二定?律進一步顯示?了自然界過程?的方向性。 一、 能量轉(zhuǎn)化與守?恒定律的確立? 自然科學(xué)上的?重大發(fā)現(xiàn)廣泛?揭示出自然現(xiàn)?象間普遍聯(lián)系?和轉(zhuǎn)化。 例如，伏打制成的“伏打電堆”：化學(xué)運動向電?的轉(zhuǎn)化； 伏打電流的電?解：電運動向化學(xué)?運動的轉(zhuǎn)化；

18、 塞貝克：實現(xiàn)了熱和電?的轉(zhuǎn)化； 焦耳和楞次：發(fā)現(xiàn)了電流轉(zhuǎn)?化為熱的著名?定律； 奧斯特：電流磁效應(yīng)； 法拉第：電磁感應(yīng)現(xiàn)象?；………… 自然科學(xué)上的?這類發(fā)現(xiàn)，使得歐洲科學(xué)?界形成了一種?思想氛圍，以一種聯(lián)系的?觀點去觀察自?然現(xiàn)象。正是在這種情?況下，從事七八種專?業(yè)的十多位科?學(xué)家，分別通過不同?的途徑，各自獨立的發(fā)?現(xiàn)了能量守恒?原理。在這其中有三?位聲譽卓越的?佼佼者： 邁爾、焦耳、亥姆霍茲 他們分別從哲?學(xué)性的理性思?維、與機械效率的?探討相

19、聯(lián)系的?物理實驗以及?在力學(xué)基礎(chǔ)上?進行的理論論?證的途徑開始?思考，為能量守恒定?律的建立作出?了奠基性的貢?獻。 ▲ 邁爾（首先公開表述?了能量轉(zhuǎn)化和?守恒的普遍原?理）（他對萬事總要?問個為什么，而且必親自觀?察，研究，實驗。） 發(fā)現(xiàn)問題并思?考：一日，船隊在加爾各?達登陸，船員因水土不?服都生起病來?，于是邁爾依老?辦法給船員們?放血治療。在德國，醫(yī)治這種病時?只需在病人靜?脈血管上扎一?針，就會放出一股?黑紅的血來，可是在這里，從靜脈里流出?的仍然是鮮紅?的血。于是，邁爾開始思考?：人的血液所以?是紅的是因為?里面含有氧，氧在人體內(nèi)燃?燒產(chǎn)生熱量，維持人的體溫?。 這里天氣

20、炎熱?，人要維持體溫?不需要燃燒那?么多氧，所以靜脈里的?血仍然是鮮紅?的。那么，人身上的熱量?到底是從哪來?的？頂多500克?的心臟，它的運動根本?無法產(chǎn)生如此?多的熱，無法光靠它維?持人的體溫。那體溫是靠全?身血肉維持的?了，而這又靠人吃?的食物而來，不論吃肉吃菜?，都一定是由植?物而來，植物是靠太陽?的光熱而生長?的。太陽的光熱呢?？太陽如果是一?塊煤，那么它能燒4?600年，這當(dāng)然不可能?，那一定是別的?原因了，是我們未知的?能量了。邁爾越想越多?，最后歸結(jié)到一?點：能量如何轉(zhuǎn)化?（轉(zhuǎn)移）？在拉瓦錫的燃?燒理論啟示下?，邁爾發(fā)表論文?“論無機界的力?”， 他得出“力就是不滅的?、能轉(zhuǎn)化

21、的、無重量的客體?”的結(jié)論，并用自己的方?法測得熱功當(dāng)?量為365千?克米/千卡。他將論文投到?《物理年鑒》，卻得不到發(fā)表?，只好發(fā)表在一?本名不見經(jīng)傳?的醫(yī)學(xué)雜志上?。他到處演說：“你們看，太陽揮灑著光?與熱，地球上的植物?吸收了它們，并生出化學(xué)物?質(zhì)……”可是即使物理?學(xué)家們也無法?相信他的話，很不尊敬地稱?他為“瘋子”，而邁爾的家人?也懷疑他瘋了?，竟要請醫(yī)生來?醫(yī)治他。他不僅在學(xué)術(shù)?上不被人理解?，而且又先后經(jīng)?歷了生活上的?打擊，幼子逝世，弟弟也因革命?活動受到牽連?，在一連串的打?擊邁爾于18?49年從三層?樓上跳下自殺?，但是未遂，卻造成雙腿傷?殘，從而成了跛子?。隨后他被送到?

22、哥根廷精神病?院，遭受了八年的?非人折磨。晚年的邁爾也?可以說是苦盡?甘來，獲得了很多的?榮譽。 邁爾以“下落力”（重力勢能）、“運動力”（動能）和熱的轉(zhuǎn)化具?體論證了力的?轉(zhuǎn)化和守恒。 ▲焦耳（關(guān)于熱功當(dāng)量?的測量，為能量守恒原?理的確立奠定?了堅實的實驗?基礎(chǔ)） 發(fā)現(xiàn)問題并思?考：酒廠中使用的?用電池驅(qū)動的?電動機和電路?中的發(fā)熱現(xiàn)象?，是為什么？ 首先對電流熱?效應(yīng)進行了定?量研究，提出焦耳定律?，此后，從實驗上研究?熱和機械功互?相轉(zhuǎn)化的當(dāng)量?關(guān)系。 1847年，焦耳報告了他?用砝碼下落帶?動銅質(zhì)的翼輪?分別攪動水、鯨腦油和汞的?實驗，測得熱的機械?當(dāng)量數(shù)

23、值。 ▲亥姆霍茲（給出了能量守?恒定律的數(shù)字?表示，從多個方面論?證了這個定律?在自然界的普?遍適用性，為能量守恒定?律奠定了重要?的理論基礎(chǔ)） 發(fā)現(xiàn)問題并思?考：如果永動機是?不可能的話，那么在自然界?的不同的力之?間應(yīng)該存在著?什么樣的關(guān)系?呢？ 亥姆霍茲《論力的守恒》提出了能量轉(zhuǎn)?化與守恒定律?的哲學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)公式和實?驗根據(jù)，并把它演繹到?物理學(xué)的各個?分支。系統(tǒng)的證明了?力的守恒定律?“與自然科學(xué)中?任何一個已知?現(xiàn)象都不矛盾?”。 以上三個大人?物的研究方法?啟發(fā)我們： ? 遇到現(xiàn)象多多?提問 ? 遇到問題多多?思考 ? 為人師表，最好說得少、做得多，行動勝于一切?言語！ 1850年，克勞修斯提出?了熱力學(xué)第一?定律：dQ=dU+dW, dQ表示工作?物質(zhì)吸收的熱?量, dW是熱力學(xué)?系統(tǒng)對外所做?的功, dU是內(nèi)能的?變化, 它實際上是其?他能量與內(nèi)能?發(fā)生轉(zhuǎn)化時的?能量守恒定律?。 - 12 -